陸歡佳，俞 立，董齊芬，潘 浩，葉靈潔

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

基于無線傳感網(wǎng)的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

陸歡佳，俞 立，董齊芬，潘 浩，葉靈潔

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

為滿足樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)低成本、部署方便等要求，設(shè)計了一種層次型結(jié)構(gòu)的無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)對樓宇環(huán)境數(shù)據(jù)的收集工作.首先闡述系統(tǒng)中傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的硬件設(shè)計，然后，根據(jù)樓宇監(jiān)測的應(yīng)用背景，設(shè)計一種基于IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議模型的自組織、低功耗的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)收集協(xié)議，不僅可以實現(xiàn)上行感知數(shù)據(jù)的傳輸，還可用于下行配置參數(shù)的傳輸.最后，實地部署和測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理與分析等方面已達到了設(shè)計要求.

樓宇環(huán)境監(jiān)測；無線傳感網(wǎng)；數(shù)據(jù)收集

樓宇室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，可以為樓宇自動化系統(tǒng)提供原始數(shù)據(jù)支持［1］，有助于在改善用戶居住舒適度的同時提高樓宇能量利用率.傳統(tǒng)的監(jiān)測方法往往是部署大量有線傳感器，這種方式存在安裝成本高、影響室內(nèi)美觀等問題.而采用 WLAN、CDMA／GSM等無線數(shù)據(jù)傳輸方式也存在設(shè)備運行成本高、能耗大等局限.

無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Networks，WSNs）的出現(xiàn)為樓宇環(huán)境監(jiān)測提供了新的有力技術(shù)手段［2－3］.WSNs能夠?qū)崟r采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)測對象的信息［4］，在樓宇環(huán)境監(jiān)測等應(yīng)用中有著良好的應(yīng)用前景.針對WSNs在樓宇環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，目前已存在較多可供參考的設(shè)計方案.文獻［5］設(shè)計了監(jiān)測室內(nèi)電器設(shè)備能耗的WSNs，但其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計與其所采用的硬件緊密相關(guān)，使其不能直接移植使用.文獻［6］利用 WSNs監(jiān)測室內(nèi)光照強度及燈光的使用情況，為燈光節(jié)能控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，但其網(wǎng)絡(luò)具有閉環(huán)控制功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)過于復(fù)雜.文獻［7］設(shè)計了基于 WSNs的歷史建筑物結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，其采用中間件的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集及分發(fā)協(xié)議，使得網(wǎng)絡(luò)運行效率較低.資源的有限性決定了WSNs的設(shè)計在滿足樓宇環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用需求的同時，應(yīng)盡量簡單和高效.然而上述方案不能簡單、高效的實現(xiàn)，需要重新設(shè)計.

筆者針對樓宇監(jiān)測應(yīng)用，設(shè)計一種層次結(jié)構(gòu)WSNs來實現(xiàn)樓宇環(huán)境數(shù)據(jù)的收集，主要內(nèi)容包括：（1）用于環(huán)境數(shù)據(jù)采集的低功耗傳感器節(jié)點硬件設(shè)計及充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的匯聚節(jié)點硬件設(shè)計；（2）面向樓宇環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的自組織、低功耗WSNs數(shù)據(jù)收集協(xié)議設(shè)計.所設(shè)計協(xié)議基于IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議模型，能完成上行感知數(shù)據(jù)及下行配置參數(shù)的傳輸.實地部署和測試結(jié)果表明，節(jié)點能動態(tài)形成WSNs，并能正確完成對樓宇環(huán)境信息的周期性收集任務(wù).

1 節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點硬件體系架構(gòu)如圖1（a）所示.節(jié)點由傳感模塊（包括溫濕度傳感器SHT11和光照強度傳感器TSL2550）、處理模塊（Atmega128L）、無線通信模塊（CC2420）和電源模塊等組成.傳感模塊獨立設(shè)計，并通過擴展接口與處理模塊相連，便于在監(jiān)測任務(wù)改變時進行更換.圖1（b）所示為傳感器節(jié)點實物圖，在安裝上傳感模塊后，節(jié)點尺寸為60 mm×40 mm×20 mm，滿足節(jié)點的小型化要求.

匯聚節(jié)點是連接WSNs和互聯(lián)網(wǎng)這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的橋梁，它匯總處理所有傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù).圖1（c）所示為匯聚節(jié)點實物圖，其采用Samsung公司的S3C2440 ARM處理器，并配有32 MB RAM和64 MB Flash存儲器以提供足夠的計算和存儲能力，同時配置串口、以太網(wǎng)等通信接口方便與計算機網(wǎng)絡(luò)的連接.

2 WSNs數(shù)據(jù)收集協(xié)議設(shè)計

針對樓宇監(jiān)測應(yīng)用需求，設(shè)計一個自組織、低功耗的WSNs數(shù)據(jù)收集協(xié)議是文章重點.樓宇環(huán)境變化往往是相對緩慢的，傳感器節(jié)點可以以較低的頻率采集環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不高.因此，所設(shè)計的系統(tǒng)建立在IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議模型上，并貼近應(yīng)用特點，實現(xiàn)簡單高效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議.

2.1 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與維護

根據(jù)房間大小及監(jiān)測精度要求，每個房間部署不同數(shù)量的傳感器節(jié)點，所有節(jié)點自組織形成WSNs.

WSNs中節(jié)點資源的有限性決定了組網(wǎng)過程不應(yīng)存在過多復(fù)雜控制信息的交互過程，同時在網(wǎng)絡(luò)運行中應(yīng)盡量保持各節(jié)點間的能耗均衡.所設(shè)計系統(tǒng)采用以下方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護.

初始化時，各節(jié)點是獨立的.匯聚節(jié)點發(fā)起網(wǎng)絡(luò)建立，未入網(wǎng)節(jié)點按照圖2所示的入網(wǎng)步驟加入網(wǎng)絡(luò).節(jié)點多次廣播入網(wǎng)請求幀以獲得多個已入網(wǎng)鄰居節(jié)點或匯聚節(jié)點反饋的入網(wǎng)響應(yīng)，并利用入網(wǎng)響應(yīng)幀中包含的信息選擇預(yù)選父節(jié)點.預(yù)選父節(jié)點應(yīng)該是所有反饋了入網(wǎng)響應(yīng)節(jié)點中最優(yōu)的節(jié)點，其應(yīng)具有較少的網(wǎng)絡(luò)深度及較多的剩余能量.較少的網(wǎng)絡(luò)深度意味著數(shù)據(jù)的傳輸路徑較短，這樣就降低了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時的總能量消耗；較多的剩余能量可以保證傳輸路徑的可靠性，同時也是節(jié)點間能耗均衡的需要（具有較多子節(jié)點的父節(jié)點在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中需要消耗更多的能量）.綜上，預(yù)選父節(jié)點Ppreselect的選擇依據(jù)為

圖2 節(jié)點入網(wǎng)過程Fig.2 Join network process

式中：N表示回復(fù)入網(wǎng)響應(yīng)幀的節(jié)點個數(shù)；Ei為第i個回復(fù)節(jié)點的剩余能量；Di表示第i個回復(fù)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)深度（數(shù)據(jù)幀從該節(jié)點傳輸至匯聚節(jié)點所需的最小路由跳數(shù)）；α1和α2為相應(yīng)非負(fù)權(quán)重系數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)深度及剩余能量對預(yù)選父節(jié)點選擇的不同重要程度進行量化.

如果請求入網(wǎng)節(jié)點在定時器設(shè)定的時間內(nèi)未能接收到任何入網(wǎng)響應(yīng)幀，則節(jié)點將隨機延時一段時間后再次廣播入網(wǎng)請求.需要特別說明的是，請求入網(wǎng)節(jié)點選定的預(yù)選父節(jié)點在接收到關(guān)聯(lián)請求后，若發(fā)現(xiàn)不能對該子節(jié)點進行關(guān)聯(lián)，就會回復(fù)關(guān)聯(lián)拒絕幀，請求入網(wǎng)節(jié)點在接收到該信息后將根據(jù)式（1）重新選擇次優(yōu)預(yù)選父節(jié)點進行關(guān)聯(lián).

按照這種方法，最終將建立起以匯聚節(jié)點為根的樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).但因每個節(jié)點擁有的子節(jié)點數(shù)不同，導(dǎo)致其能耗也不相同，這種節(jié)點間能量消耗的不均衡會減短WSNs的生命周期.因此，節(jié)點提供解關(guān)聯(lián)操作來維護該網(wǎng)絡(luò).每個父節(jié)點設(shè)置一個周期能量消耗閾值，同時記錄上次解關(guān)聯(lián)操作以來消耗的總能量，并在檢測到該能量消耗超過閾值后執(zhí)行新的解關(guān)聯(lián)操作.子節(jié)點接收到父節(jié)點的解關(guān)聯(lián)信息后將重新入網(wǎng)，動態(tài)更新其父節(jié)點，從而達到能耗均衡的目的.

2.2 節(jié)點地址分配及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制

每個節(jié)點須擁有唯一的網(wǎng)絡(luò)地址用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時的尋址操作.父節(jié)點在關(guān)聯(lián)子節(jié)點時采用式（2）所示的分布式節(jié)點地址分配機制實現(xiàn)子節(jié)點的地址分配：

An＝AParent＋CSkip（d）×（n－1）＋1，1≤n≤Cm（2）式中：AParent為父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址；An為隸屬于該父節(jié)點的第n個子節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址；Cm為節(jié)點所能擁有的最大子節(jié)點數(shù)；CSkip（d）表示處于d網(wǎng)絡(luò)深度的父節(jié)點所擁有的地址數(shù)，計算如下：

式中：Dm為最大允許網(wǎng)絡(luò)深度；Cm與Dm為常數(shù)，在系統(tǒng)部署時設(shè)定.

特別的，作為組網(wǎng)發(fā)起者的匯聚節(jié)點擁有唯一的固定地址：

基于上述地址分配方式，節(jié)點所擁有子節(jié)點的地址均將處于［AParent＋1，AParent＋CSkip（d）×（Cm－1）＋1］區(qū)間內(nèi)，使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程無需額外的輔助路由信息，以降低協(xié)議的復(fù)雜度.協(xié)議采用圖3方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā).

2.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流

所設(shè)計的路由樹不僅可以實現(xiàn)上行感知數(shù)據(jù)的傳輸，還可用于下行配置參數(shù)信息的傳輸.針對樓宇監(jiān)測應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路還提供合適的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量以在滿足不同類型數(shù)據(jù)對傳輸質(zhì)量需求的同時最小化傳輸所需能量消耗，具體如下：

圖3 節(jié)點數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)流程圖Fig.3 Data frame forwarding flowchart

（1）周期性環(huán)境參數(shù).如周期性采集的室內(nèi)環(huán)境溫度值等數(shù)據(jù)是WSNs數(shù)據(jù)鏈路上主要的流通對象，其對傳輸質(zhì)量的要求較低，允許較大傳輸時延和丟包的發(fā)生.數(shù)據(jù)鏈路在傳輸這類數(shù)據(jù)時，不提供重發(fā)機制，以減少網(wǎng)絡(luò)通信量，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期.

（2）配置參數(shù).采集周期與異常閾值設(shè)置值及網(wǎng)絡(luò)運行信息，如節(jié)點當(dāng)前電池電壓值等數(shù)據(jù)要求可靠傳輸，但允許較大時延.數(shù)據(jù)鏈路在傳輸這類數(shù)據(jù)時，提供重發(fā)機制以保證信息的可靠傳輸.

（3）異常數(shù)據(jù).如采集到的超出閾值的環(huán)境溫度值等信息一旦產(chǎn)生就需要正確及時地反映給用戶，所以其不僅要求可靠傳輸，還要求傳輸具有較低時延.這類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路上具有優(yōu)先傳輸權(quán)（不用經(jīng)過各中轉(zhuǎn)節(jié)點的MAC層發(fā)送等待隊列而直接發(fā)送），并采用重發(fā)機制來保證傳輸?shù)目煽亢偷蜁r延.

3 系統(tǒng)測試

3.1 節(jié)點能耗測試

實際運行過程中，在兩節(jié)1.5 V普通AA電池（南孚LR6）供電情況下，節(jié)點工作在不同狀態(tài)時消耗的電流如表1所示，具有較低的運行功耗.

表1 節(jié)點工作電流Table 1 Node operating current consumption m A

3.2 網(wǎng)絡(luò)連通性測試

在樓宇環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，節(jié)點的部署需要由監(jiān)測規(guī)劃確定，而不是隨機的.這種較為固定的節(jié)點部署方式使節(jié)點間的連通性成為節(jié)點部署中最重要的約束條件.采用在實際樓宇環(huán)境中測試節(jié)點間的無線通信距離來衡量網(wǎng)絡(luò)的連通性，測試結(jié)果如表2所示.可以看到，針對一般樓宇環(huán)境，部署在同一房間及相鄰房間的節(jié)點間連通性是可以保證的.

表2 節(jié)點通信距離Table 2 Node communication distance m

3.3 系統(tǒng)測試

所測試的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由9個部署在同一樓層相鄰房間節(jié)點及監(jiān)測軟件平臺構(gòu)成.所設(shè)計監(jiān)測軟件平臺以Sqlite作為數(shù)據(jù)庫，采用C＋＋基于Qt開源圖形庫平臺開發(fā)完成，主要實現(xiàn)整個監(jiān)測系統(tǒng)管理、環(huán)境感知數(shù)據(jù)在線顯示存儲、歷史數(shù)據(jù)分析和用戶交互等功能.

在節(jié)點部署前，需要配置節(jié)點的類型、房間號、監(jiān)測項目及采集周期等信息，如圖4（a）所示.為了測試傳感器的采集精度和數(shù)據(jù)鏈路的可靠性，設(shè)置所有節(jié)點數(shù)據(jù)采集周期為5 s（實際應(yīng)用中，節(jié)點將會以更低的采集頻率運行，以節(jié)約能量）.

節(jié)點實際部署的分布情況如圖4（b）所示，整個系統(tǒng)部署有一個匯聚節(jié)點、和八個傳感器節(jié)點，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)Cm＝3及Dm＝4.

圖4 監(jiān)測軟件配置Fig.4 Software configuration

傳感器節(jié)點采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)將以協(xié)作方式傳輸至匯聚節(jié)點，進而傳送給監(jiān)控軟件平臺進行存儲、可視化分析與統(tǒng)計.圖5（a）所示為321房間10 min內(nèi)所采集溫濕度及光照強度數(shù)據(jù)的實時曲線.圖5（b）所示是該房間一周內(nèi)每日平均溫度統(tǒng)計圖.

圖5 監(jiān)測軟件數(shù)據(jù)顯示和分析Fig.5 Data visualization and analysis

上述測試結(jié)果表明，設(shè)計的節(jié)點能以較低的功耗實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集及處理，節(jié)點間的連通性也保證了WSNs的穩(wěn)定運行及傳感數(shù)據(jù)的可靠匯集.整個樓宇監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)管理分析等方面已達到應(yīng)用要求.

4 結(jié) 論

筆者設(shè)計一種基于WSNs的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)節(jié)點硬件設(shè)計及數(shù)據(jù)收集協(xié)議等進行了闡述.系統(tǒng)測試結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)已能基本滿足應(yīng)用需求，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸與存儲，并提供數(shù)據(jù)的可視化分析.作為WSNs的一個有效應(yīng)用，該樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)可以為樓宇自動化及智能化提供更直接的參考價值，具有較好的應(yīng)用前景.

下一步工作主要集中在系統(tǒng)的測試及監(jiān)測軟件平臺功能的完善上，同時研究并實現(xiàn)節(jié)點間的休眠調(diào)度機制，以進一步降低節(jié)點的功耗，最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期.

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Design of building environment monitoring systems based on wireless sensor network

LU Huan-jia，YU Li，DONG Qi-fen，PAN Hao，YE Ling－jie
（College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China）

To meet the requirements of low cost and convenient deployment from the building environment monitoring systems，a hierarchical wireless sensor network is designed to gather building environment data.Firstly，the hardware designs of sensor node and cluster node are explained.Then，a self-organization and low-power data collection protocol in wireless sensor networks specified for building monitoring is proposed，which is based on the IEEE802.15.4／ZigBee protocol stacks.The proposed network could deliver both uplink sense data and configuration parameters with downlink data.Finally，the in-situ deployment and testing results show that the system achieves the application requirements well in the aspects of data collection，on-line monitoring，data management and analysis.

building environment monitoring；wireless sensor networks；data gathering

TP212.9

A

1006-4303（2011）06-0683-05

2010-09-14

浙江省教育廳重大科技攻關(guān)項目（ZD2007003）

陸歡佳（1986—），男，浙江海寧人，碩士研究生，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用，E-mail：luhuanjia1020＠126.com.

（

陳石平）